淺埋含煤復(fù)合頂板切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)研究

弓 飛

（西山煤電（集團(tuán)）西曲礦，山西 古交 030200）

雖然長壁開采得到了廣泛的推廣和發(fā)展，但長壁開采時(shí)留設(shè)的煤柱造成了極大的資源浪費(fèi)，同時(shí)長壁開采時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)一系列特點(diǎn)：地表出現(xiàn)臺(tái)階下沉、工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈、基本頂形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等，尤其是在煤炭資源不斷枯竭的今天，提高煤炭資源的回采率、降低煤炭資源的開采成本是各大礦區(qū)積極提倡的開采原則，因此大力提倡沿空留巷無煤柱開采技術(shù)，對于礦井的高產(chǎn)高效建設(shè)具有重要意義。

1 工程背景

哈拉溝礦12201工作面為12號煤二盤區(qū)首個(gè)總采面。12201綜采面長320m，切眼至停采線長度747m，沿空留巷長 580m，煤厚 1.6～2.4m，平均煤厚1.9m，工作面平均采高2m，回采煤量61萬t，煤層較穩(wěn)定，北西為設(shè)計(jì)的12202工作面，其他方向無12煤設(shè)計(jì)的工作面。煤層直接頂為粉砂巖，厚3.9～0.52m，均厚1.84m；直接頂上部為12上煤層，厚2.75～0.0m，均厚1.56m；12上煤層上部為厚2.14～0.55m、均厚1.35m的泥巖，老頂由均厚為3.34m的細(xì)粒砂巖和均厚為4.05m的粉砂巖組成；直接底為粉砂巖，均厚3.67m。具體布置如圖1所示。

2 切頂卸壓自動(dòng)成巷工藝技術(shù)研究

2.1 切頂卸壓自動(dòng)成巷原理

由于無煤柱開采方法存在著較多的缺陷，所以本文根據(jù)頂板垮落規(guī)律、長壁開采工作面的礦壓分布規(guī)律、布置等提出了新的成巷方法，即基于含煤、淺埋復(fù)合頂板下的采場順槽切頂卸壓沿空留巷技術(shù)。該技術(shù)可以有效的將原有長壁開采一面雙巷開采模式進(jìn)行改變，在首采面回采巷道完整的前提之下，利用定向預(yù)裂切頂技術(shù)將前面的巷道當(dāng)成之后工作面的一個(gè)回采巷道。達(dá)到單面單巷的開采模式，該模式可以將相鄰工作面媒體上部區(qū)域集中的應(yīng)力進(jìn)行分散，降低采掘比，增加資源的開采率，同時(shí)有效消除留設(shè)煤柱產(chǎn)生的瓦斯積聚、沖擊地壓、煤層失火等一系列災(zāi)害。

2.2 切頂卸壓沿空成巷方法

切頂卸壓沿空留巷是一項(xiàng)新的留巷工藝，也是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，由工作面的不斷推進(jìn)而逐步完成和實(shí)現(xiàn)，課題根據(jù)切頂卸壓沿空留巷成巷原理，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的留巷工藝，具體步驟如下：①首采面上下順槽施工；②下順槽工作面?zhèn)燃庸体^索及頂板預(yù)裂爆破鉆孔施工；③遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)；④工作面回采；⑤下順槽頂板預(yù)裂爆破定向切縫；⑥老頂來壓，斷裂下沉，自動(dòng)成巷；⑦下順槽預(yù)留作為下一工作面上順槽；⑧預(yù)留巷道防漏防火處理；⑨新工作面下順槽施工（同2）；10.3-9 循環(huán)。

2.3 切頂卸壓自動(dòng)成巷設(shè)備配套和端頭支護(hù)優(yōu)化研究

12201面切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)施工過程中發(fā)現(xiàn)端頭支架對頂板錨索、網(wǎng)片破壞嚴(yán)重，需對端頭支架進(jìn)行改造，保護(hù)頂板支護(hù)不被破壞，進(jìn)行如下優(yōu)化：

1）工作面推進(jìn)到切眼位置時(shí)將1#端頭支架回撤；

2）重新加工焊接推拉頭，將2#端頭支架向機(jī)尾偏移300mm；

3）將3#端頭支架向機(jī)尾偏移1100mm；

4）為了保證順槽錨桿不受回采的破壞，在端頭支架上方焊接加固塊。

2.4 切頂卸壓自動(dòng)成巷支護(hù)設(shè)計(jì)

隨著12201工作面的不斷推進(jìn)，對后方采空區(qū)的頂板垮落情況及工作面來壓現(xiàn)象進(jìn)行現(xiàn)場觀測和分析，發(fā)現(xiàn)工作面初次來壓后，12201運(yùn)順懸頂較大、垮落矸石較多，工作面周期來壓后采空區(qū)上覆巖層產(chǎn)生的裂縫貫通地表，為此采用下述支護(hù)方案：

1）巷旁支護(hù)。

為使工作面周期來壓時(shí)頂板垮落的巖塊不落入巷道，對支架后的內(nèi)部運(yùn)用單體柱+工字鋼+鋼筋網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)圖見圖3所示。

圖3 支護(hù)斷面圖

2）巷內(nèi)支護(hù)。

端頭支架后方15m的區(qū)域內(nèi)，沿巷道軸向方向的單體柱在其柱間采用2.4m長的花邊梁假設(shè)在支柱頂部；距離端頭支架15m以外的范圍內(nèi)，沿巷道斷面布置單體柱，并在單體柱之間假設(shè)4.2m長的花邊梁，其布置方式為“一梁四柱”，間排距為1.2m×1m，同時(shí)對巷道頂部的較破碎區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；直到工作面推過100后可拆除單體和花邊梁重復(fù)使用，如圖3、圖 4。

圖4 支護(hù)立面圖

3 切頂卸壓自成巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬分析

3.1 切頂卸壓自動(dòng)成巷礦壓顯現(xiàn)特征

為了研究切頂卸壓自動(dòng)成巷的礦壓規(guī)律，分別建立有切縫和無切縫時(shí)的數(shù)值模型進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖5圖、圖6所示。

圖6 有切縫時(shí)垂直應(yīng)力分布圖

圖5 無切縫時(shí)垂直應(yīng)力分布圖

通過對比有、無切縫時(shí)的垂直應(yīng)力的分布規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1）切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)能夠有效切斷巷道及采空區(qū)頂板之間應(yīng)力傳播途徑，從而減弱實(shí)體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象，不僅大大降低了應(yīng)力峰值，而且使得應(yīng)力集中區(qū)遠(yuǎn)離巷幫，轉(zhuǎn)移到實(shí)體煤幫深部位置。

2）頂板的切縫具有一定的卸壓作用，能夠降低巷道圍巖內(nèi)部的應(yīng)力集中，進(jìn)而形成一定范圍的卸壓區(qū)，使巷道具有一定的穩(wěn)定性。

3.2 切頂高度對礦壓顯現(xiàn)的影響

切頂高度是指對煤層頂板實(shí)施定向切縫后，從巷道頂板平面到切縫向上發(fā)育的最大垂直距離。分別模擬切頂高度為4.0m、6.0m、10m時(shí)圍巖的應(yīng)力、位移分布特征，其模擬結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 4.0m切縫垂直應(yīng)力和垂直位移分布圖

圖8 6.0m切縫垂直應(yīng)力和垂直位移分布圖

圖9 10m切縫垂直應(yīng)力和垂直位移分布圖

通過對比上述4m、6m、10m切頂高度的垂直應(yīng)力和位移分布圖，得出：

1）不同的切頂高度對巷道的卸壓效果具有不同的影響程度，當(dāng)切頂高度4.0m時(shí)，實(shí)體煤側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫約為2.0m；切頂高度為6.0m時(shí)，實(shí)體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)距巷幫約4.0m，與切頂高度4.0m相比，應(yīng)力集中向?qū)嶓w煤幫深處轉(zhuǎn)移較明顯；切頂高度為10m時(shí)，實(shí)體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)距巷幫約4.0～5.0m，與切頂高度6.0m相比，應(yīng)力集中位置進(jìn)一步向深處轉(zhuǎn)移，但轉(zhuǎn)移距離較小，即切頂高度越大，應(yīng)力集中區(qū)的位置距離巷幫的距離越大，巷道越穩(wěn)定；但當(dāng)切頂高度達(dá)到一定的臨界高度時(shí)，切頂高度繼續(xù)加大后該效果將不再明顯增加。

2）當(dāng)切頂高度增大時(shí)，巷道頂板形成的卸壓區(qū)范圍隨著變大，即切頂卸壓對巷道頂板應(yīng)力的影響范圍與切頂高度成正相關(guān)。

3）切頂高度為 4.0m、6.0m、10m時(shí)，實(shí)體煤幫內(nèi)部 應(yīng) 力 集 中 峰 值 分 別 為 3.03MPa、2.71MpPa、2.67MPa，表明切頂高度對應(yīng)力集中峰值有一定影響，切頂高度越大，應(yīng)力集中峰值越小，但是其影響程度相對較小。

4）切頂高度為 4.0m、6.0m、10m時(shí)，對應(yīng)的頂板的最大垂直位移分別為100mm、99mm、96mm，即隨著切頂高度的增大，巷道頂板的最大垂直位移不斷變小，表明切頂卸壓能夠有效控制巷道圍巖變形，保證巷道具有一定的穩(wěn)定性。

4 工程實(shí)踐

1）根據(jù)礦壓檢測結(jié)果，記錄的5個(gè)頂板離層最大量的數(shù)據(jù)中，1號測定大，

為58.4mm，均值為29.9mm，離層不明顯，頂板較為穩(wěn)定。

2）分析布置的側(cè)向壓力監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，得出：1#測點(diǎn)側(cè)向壓力最大值為2.0MPa，穩(wěn)定后為1.7 MPa；2#測點(diǎn)側(cè)向壓力最大值為0.9MPa，穩(wěn)定后為0.7 MPa；表明巷道應(yīng)力集中程度低，圍巖穩(wěn)定新較好。

5 結(jié)論

1）根據(jù)切頂卸壓自動(dòng)成巷的原理及方法，提出了具體的自動(dòng)成巷支護(hù)技術(shù)、設(shè)備配套及端頭支架優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）采用FLAC3D模擬手段對切頂卸壓自動(dòng)成巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析，得出該技術(shù)能夠有效隔離巷道及采空區(qū)之間的應(yīng)力傳遞，降低其圍巖應(yīng)力集中程度，使得應(yīng)力集中區(qū)遠(yuǎn)離巷道邊緣，向?qū)嶓w煤區(qū)轉(zhuǎn)移；頂板的切縫具有一定的卸壓作用，能夠降低巷道圍巖內(nèi)部的應(yīng)力集中，進(jìn)而形成一定范圍的卸壓區(qū)，使巷道具有一定的穩(wěn)定性。

3）切頂高度越大，巷道頂板卸壓區(qū)范圍越大，即切頂卸壓對巷道頂板應(yīng)力的影響范圍與切頂高度成正相關(guān)。

4）對自動(dòng)成巷過程的礦壓規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測，得出巷道的離層、側(cè)向壓力均處于較小或穩(wěn)定狀態(tài)，驗(yàn)證了支護(hù)效果的可行性及成巷的適用性。